CN103027691A - 数字式生理生化参数测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字式生理生化参数测量装置及其测量方法。所述的装置包括发光控制模块、光电与模数转换模块、信号控制处理模块和数据输出模块，其中：所述的发光控制模块用于产生测量生理生化参数所需要的指定波长和强度的光辐射；所述的光电与数模转换模块用于将测量的光电信号转换成数字式光强度信号；所述的信号控制处理模块用于对数字式光强度信号进行分析和处理，得出生理生化参数；所述的数据输出模块用于输出生理生化参数。本发明具有可靠性高、抗干扰性强、一致性好、测量不受传输距离影响、兼容性好等优点。

Description

数字式生理生化参数测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及医疗设备，尤其涉及一种数字式生理生化参数测量装置及测量方法。

背景技术

人体血液的生化参数值，如血氧饱和度、血色素浓度、一氧化碳血红蛋白浓度、血糖浓度、血脂和胆固醇等具有重要临床价值，可以通过分析其对不同波长的光吸收信号强度不同来进行测量。人体生理参数值如人体脉搏波则反映心脏每搏输出至外周循环的生理状态。利用人体动脉血液的脉动性，使用光学检测方法可以实现非创伤在体生理生化参数值的测量。目前临床最为常用的指夹式血氧饱和度和血红蛋白浓度测量探头就是利用这个原理实现的。许多临床疾病会造成脉搏波微弱、血氧饱和度下降、贫血(低血色素)、高一氧化碳血红蛋白、高血糖(糖尿病)、高血脂等问题，这将直接影响细胞的正常新陈代谢，严重的还会威胁患者的生命。因此，测量这些生理生化参数值是临床实验室检查的重要任务之一，特别是非创伤快速和实时生理生化参数监测，对于临床争分夺秒抢救救护患者生命尤其重要。

以目前广泛用于急救病房、手术室、恢复室、家庭健康监护、和睡眠监测等应用中的血氧饱和度测定为例，其测量原理就是根据血红蛋白和氧合血红蛋白对不同波长光的吸收量不同，通过测量不同波长的光强度随脉搏的变化来实现的。这类设备包括接收模拟信号的血氧探头和信号放大采集与计算分析单元，例如临床常见的模拟信号血氧探头和具有放大模数转换和计算分析能力的床边多参数病人监护仪。血氧探头的构成包括：双波长(红光/红外发光)二极管、光敏接收管、塑胶指套或平行贴片、连接导线和插头。发光二极管和光敏接受管通过连接导线和插头分别与信号采集与计算分析单元中的发光二极管控制输出端和血氧多参数监护仪中的放大器输入端，放大器电路将来自光敏接受管的模拟光强度信号进行放大和直流分量与交流分量的分离，并由模数转换电路分别将直流光强度信号和交流光强度信号进行数字化，中央处理器对这些数据进行脉搏峰谷值检波，判断出由于脉搏形成的脉搏峰谷值，然后计算血氧饱和度等生理生化参数。血氧饱和度S的计算是基于如下公式：

S＝A-BR，其中 $R=\left(\frac{{\mathrm{\ΔI}}^{\mathrm{\λ}1}}{I^{\mathrm{\λ}1}}\right)/\left(\frac{{\mathrm{\ΔI}}^{\mathrm{\λ}2}}{I^{\mathrm{\λ}2}}\right).$

式中，A和B为血氧饱和度等生理生化参数常数，ΔI是波长λ₁和λ₂的光强度信号的交流分量，I是波长λ₁和λ₂的光强度信号的直流分量。这种类型的脉搏波和血氧饱和度等生理生化参数测量方法存在下列问题：

1、模拟电路进行光强度信号的交流和直流分量的分离的信号质量问题。生理生化参数计算需要光强度信号的直流分量和交流分量，常规血氧饱和度等生理生化参数设备使用多重模拟电路进行光强度信号的滤波、放大、和分离。由于模拟电路容易受到外部电磁场干扰同时电路内部产生噪声，多级模拟电路使得光强度信号的质量严重变差。

2、模拟光强度信号传输的干扰问题。常规血氧探头直接将模拟光电信号经0.5-1.5米长的导线传输至监护仪等设备，容易受到工频干扰以及导线内部热噪声等影响，造成信号失真和生理生化参数计算误差。

3、数据输出多态性问题。常规血氧探头输出形式是来自光敏接受管的模拟光电转换信号，而不是生理生化参数的数据。事实上，高质量的、直接输出生理生化参数值不仅大幅度提高测量的精度和抗干扰能力，还能够减少监护仪中央处理器的计算负担，而且，对于不同的监护仪、计算机、数据显示器、打印机等设备，数据接口有可能不同，多态血氧饱和度等生理生化参数数据形式的输出方式将方便数据传输。但是，临床上常规使用的血氧探头均不能满足这个要求。

4、血氧饱和度等生理生化参数和脉搏波等测量数据的传输与储存问题。常规血氧探头没有数据储存机制，无法将所得光强度信号储存在探头内并用于分析计算。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新的生理生化参数测量方法和装置，以解决现有的各种生理生化参数测量设备存在的技术问题。

本发明采用的技术方案是，一种数字式生理生化参数测量装置，包括发光控制模块、光电与模数转换模块、信号控制处理模块和数据输出模块，其中：

所述的发光控制模块用于产生测量生理生化参数所需要的指定波长和强度的光辐射；

所述的光电与数模转换模块用于将测量的光电信号转换成数字式光强度信号数据；

所述的信号控制处理模块用于对数字式光强度信号数据进行分析和处理，得出生理生化参数；

所述的数据输出模块用于输出生理生化参数。

所述的发光控制模块包括：控制单元、电流输出单元和发光单元，所述的控制单元接收来自所述信号控制处理模块的指令，控制电流输出单元的电流输出量并调节发光单元的亮度。

所述的光电与模数转换模块包括：光电转换器和模数转换器，在信号控制处理模块的控制下，将光信号转换成模拟电压信号，然后将模拟电压信号转换成光强度信号数据。

所述信号控制处理模块包括：数字信号处理单元、数据储存单元和输出控制单元，所述的数字信号处理单元接收光强度信号数据，并对该信号进行交流和直流分量分离计算，以及生理生化参数如脉搏波和血氧饱和度参数计算；数据储存单元实现光强度信号数据和计算结果的存取；输出控制单元实现计算结果的时序控制和输出。

所述输出控制单元采用下列方法之一输出数据：串行输出、频率调制输出、或脉宽调制输出。

本发明还提出一种数字式生理生化参数测量方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤1.采集人体与生理生化参数相关的光强度信号；

步骤2.将光强度信号转换成模拟的电压信号，然后再转换成光强度数字信号；

步骤3.对步骤2获取的光强度信号数据进行分析处理，得出生理生化参数；

步骤4.将得出的生理生化参数存储于数据存储单元；

步骤5.将生理生化参数调制后裔数字方式输出。

所述的步骤3采取的处理方法是对光强度信号数据进行交流分量和直流分量的分离计算，并用于生理生化参数的计算。

交流分量和直流分量的分离计算以及生理生化参数计算包括下列步骤：

设采样时间段为{T₁，T₂，...，T_N}，采样时间间隔为T_i-T_i-1，采集的M个波长的共N个光强度信号数据为

{...}，

将这些参数构成光强度信号数据数组；

其中，直流分量为I，交流分量的分离计算为I_i-I_i-1，作为生理参数中的脉搏波。生化参数计算以血氧饱和度为例，根据公式S_k＝A-BR_k，其中A和B为常数，R_k为回归系数，k为时间窗口平移量；

回归系数用下式计算：

$R_k=\frac{N\·\underset{i=k}{\overset{N+k}{\mathrm{\Σ}}}\left(X_i{Y}_i\right)-\underset{i=k}{\overset{N+k}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i\·\underset{i=k}{\overset{N+k}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i}{N\·\underset{i=k}{\overset{N+k}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i{X}_i-\underset{i=k}{\overset{N+k}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i\·\underset{i=k}{\overset{N+k}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}$

式中，X_i为某波长在时段i的光强度信号数据的函数，Y_i为另一波长在同一时段i的光强度信号数据的函数，这个函数与光强度信号数据的一个具体的函数关系为交流分量与直流分量的比值，即：

$X_i=\frac{I_i^X-I_{i-1}^X}{i_i^X}.$

本发明的一个实施例应用于一种数字式测量血氧饱和度的探头，包括发光控制模块、光电与模数转换模块、信号控制处理模块和数据输出模块，其中：

所述的发光控制模块用于产生测量血氧饱和度所需要的指定波长和强度的光辐射；

所述的光电与数模转换模块用于将测量的光电信号转换成数字式光强度信号；

所述的信号控制处理模块用于对数字式光强度信号进行分析和处理，得出血氧饱和度参数；

所述的数据输出模块用于输出血氧饱和度参数。

本发明的另一个实施例应用于一种数字式测量血氧饱和度和脉搏波的佩戴式探头，包括发光控制模块、光电与模数转换模块、信号控制处理模块和数据输出模块，其中：

所述的发光控制模块用于产生测量血氧饱和度和脉搏波所需要的指定波长和强度的光辐射；

所述的光电与数模转换模块用于将测量的光电信号转换成数字式光强度信号数据；

所述的信号控制处理模块用于对数字式光强度信号进行分析和处理，得出血氧饱和度和脉搏波参数；

所述的数据输出模块用于输出血氧饱和度和脉搏波参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明装置为数字式生理生化参数测量装置，对数字光强度信号数据进行直流分量和交流分量的分离计算和生理生化参数计算，避免了模拟电路分离光强度信号中直流分量和交流分量所产生的噪声干扰与测量准确性问题；数字输出为特征的血生理生化参数测量探头避免了模拟导线存在的干扰问题并能有效提高测量精度。生理生化参数数据可直接储存在装置内的存储器中用于进一步分析等目的。本发明具有可靠性高、抗干扰性强、一致性好、测量不受传输导线位置和传输距离影响、兼容性好等优点。

本发明的生理生化参数探头的输出为纯数字式，生理生化参数计算和数值计算在探头内实现，具有可靠性高、抗干扰性强、一致性好、兼容性好等特点。同时，简化了多参数监护仪的血氧探头接口，使之能够直接经标准串行接口、输入捕捉(IC)接口、普通I/O接口等来接受经过标定的生理生化参数和脉搏波等数据，也减小了多参数监护仪的中央处理器对外周探头的控制和运算负荷，还避免了工频干扰这个一直困扰临床工作者的难题。

PWM方式输出的模拟生理生化参数和脉搏波信号在0.5米以上的距离传输过程中具有优点包括抗干扰能力强并且信号不随距离延长而快速衰减，不仅可以通过输入捕捉端口将生理生化参数数据传输至多种数字设备，还可以通过简单接口电路与许多传统的模拟显示设备如示波器、记录绘图仪等连接，直接显示和描记脉搏波和血氧饱和度等生理生化参数等数据。

附图说明

图1是本发明装置的原理框图；

图2是本发明方法的流程图。

具体实施方式

本发明提出的数字式生理生化参数测量的方法和装置，以高抗干扰的数字方式进行测量生理生化参数所需的光强度信号数据的交流分量和直流分量的分离计算、生理生化参数计算、并输出脉搏波和血氧饱和度等生理生化参数数据。

如图1所示，本发明公开的一种新的数字式生理生化参数测量方法和装置，是基于小巧可佩戴的嵌入式数字信号控制处理模块的电路结构，采用高效的交流分量与直流分量的分离计算以及生理生化参数计算的技术方案，包括：发光控制模块1、光电与模数转换模块2、信号控制处理模块3、数据输出模块4。其中，信号控制处理模块3与发光控制模块1相连接，后者产生生理生化参数测量所需要的指定波长和强度的光辐射；信号控制处理模块3和光电与数模转换模块1相连接，后者将受人体动脉血液脉搏调制的光信号转换成光强度信号数据；信号控制处理模块1对所述光强度信号数据进行存取操作，完成交流分量和直流分量的分离计算和生理生化参数计算，并将所得结果经数据输出模块输出。

发光控制模块1包括：控制单元11、电流输出单元12、发光单元13。其中，控制单元11为数字控制IO电路，例如采用电阻网络分压方法实现不同控制；电流输出单元12为恒定电流源，例如采用NTR4503场效应管的恒流源电路；发光单元13为不少于2个不同波长的发光光源，例如DLED-660-940双发光二极管；11与12相连接，控制12的电流输出量和开关，12与13相连接，为13提供所需的电压和电流；信号控制处理模块3的控制输出端口与11相连接，并输出控制指令，通过控制电流输出量来调节发光单元的开关和亮度。

光电与模数转换模块2包括：光电转换器21将光信号转换成模拟光强度电信号，和模数转换器22将模拟光强度电信号转换成光强度信号数据。当模拟光强度信号幅值过于微弱时，光电转换器与模拟转换器之间还可采用放大器来增加信号幅值。光电与模数转换模块2也可以由带模数转换的单芯片如TSL2560来实现，或采用带光强/频率转换的单芯片如TSL230配合信号控制处理模块的频率计数器来实现。光电与模数转换模块2与信号控制处理模块3相连接，在信号控制处理模块3的控制下，将转换后的数据通过连接端口直接输入至信号控制处理模块3。

信号控制处理模块3包括：数字信号处理单元31、数据储存单元31、输出控制单元33，可采用32位的PIC32MX320F064H。其中，数字信号处理单元31完成控制发光控制模块、光电与模数转换模块、数据采集、生理生化参数计算、结果输出等功能；数据储存单元32实现随机数据和非易失性数据的储存；输出控制单元33实现输出数据的调制和输出。

数字信号处理单元31对数据存储单元中的数字光强度信号进行直流分量以及交流分量分离和血氧饱和度等生理生化参数计算。这些数字光强度信号数据直接来自于模数转换器转换的信号数据，其直流分量为I，其交流分量为I_i-I_i-1或其负值。

数字信号处理单元31实现直流分量和交流分量分离计算以及生理生化参数计算的方法如下。设采样时间段为{T₁，T₂，...，T_N}，采样时间间隔为T_i-T_i-1，采集的M个波长的共N个光强度信号数据为

{...}，

储存于数据存储单元中构成光强度信号数据数组。以血氧饱和度计算为例，根据公式S_k＝A-BR_k计算血氧饱和度参数，其中A和B为常数，R_k为回归系数，k为时间窗口平移量，使得重复回归计算所使用的N个数字光强度信号数据

{...}，

成为

{...}，

一般情况下，k值为单调恒定增量，例如k＝0，1，2，...。由此，对于任意时段的血氧饱和度参数S_k，重复计算回归系数R_k即可获得。

回归系数由回归计算方法来实现，其基本计算公式为：

$R_k=\frac{N\·\underset{i=k}{\overset{N+k}{\mathrm{\Σ}}}\left(X_i{Y}_i\right)-\underset{i=k}{\overset{N+k}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i\·\underset{i=k}{\overset{N+k}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i}{N\·\underset{i=k}{\overset{N+k}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i{X}_i-\underset{i=k}{\overset{N+k}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i\·\underset{i=k}{\overset{N+k}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}$

式中，X_i为某波长在时段i的光强度信号数据的函数，Y_i为另一波长在同一时段i的光强度信号数据的函数。这个函数与光强度信号数据的一个具体的函数关系为交流分量与直流分量的比值，即：

$X_i=\frac{I_i^X-I_{i-1}^X}{i_i^X}.$

脉搏波采用交流分量I_i-I_i-1进行带通滤波来实现。输出控制单元33以电路方式实现数据输出转换，这些转换电路包括串行输出(如UART、SPI、I2C等)、频率调制输出，脉冲宽度调制输出等。数字信号处理单元31与输出控制单元33相连接，并将计算和转换得到的生理生化参数和光强度信号数据传输至33，后者又与数据输出模块4相连接，通过4产生数据输出。串行输出较简单，将生理生化参数数据直接输出至串行端口即可。例如对于脉搏波和血氧饱和度输出，以频率调制输出方式时，采用血氧饱和度值调制中心输出频率，脉搏波振幅调制频移或相移；以脉宽调制输出方式时，采用血氧饱和度值调制脉冲周期，脉搏波振幅调制脉冲方波占空比。频率调制输出和脉宽调制输出的优点是，数据输出模块可以直接与其它数字式设备的输入端口相连接，并传输数字式的生理生化参数；数据输出模块还可以通过简单的接口电路直接与其它传统模拟显示设备(如示波器、记录绘图仪等)的输入端口相连接，直接显示和描记生理生化参数数据如脉搏波和血氧饱和度。

本发明的提出的技术方案可以作为数字输出为特征的佩戴式测量生理生化参数的探头应用，包括血饱和度测量探头和脉搏波测量探头等，使用非常方便。

Claims (10)

1.一种数字式生理生化参数测量装置，包括发光控制模块、光电与模数转换模块、信号控制处理模块和数据输出模块，其中：

所述的发光控制模块用于产生测量生理生化参数所需要的指定波长和强度的光辐射；

所述的光电与数模转换模块用于将测量的光电信号转换成数字式光强度信号数据；

所述的信号控制处理模块用于对数字式光强度信号数据进行分析和处理，得出生理生化参数；

所述的数据输出模块用于输出生理生化参数。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的发光控制模块包括：控制单元、电流输出单元和发光单元，所述的控制单元接收来自所述信号控制处理模块的指令，控制电流输出单元的电流输出量并调节发光单元的亮度。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的光电与模数转换模块包括：光电转换器和模数转换器，在信号控制处理模块的控制下，将光信号转换成模拟电信号，然后将模拟电信号转换成光强度信号数据。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号控制处理模块包括：数字信号处理单元、数据储存单元和输出控制单元，所述的数字信号处理单元接收光强度信号数据，并对该信号进行交流和直流分量分离计算以及生理生化参数计算，由此得出生理生化参数；数据储存单元实现光强度信号数据和计算结果的存取；输出控制单元实现计算结果的时序控制和输出。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述输出控制单元采用下列方法之一输出数据：串行调制输出、频率调制输出、或脉宽调制输出。

6.一种数字式生理生化参数测量方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤1.采集人体与生理生化参数相关的光强度信号；

步骤2.将光强度信号转换成模拟的电压信号，然后再转换成光强度数字信号；

步骤3.对步骤2获取的光强度信号数据进行分析处理，得出生理生化参数；

步骤4.将得出的生理生化参数存储于数据存储单元；

步骤5.将生理生化参数调制后以数字方式输出。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3采取的处理方法是对光强度信号数据进行交流分量和直流分量的分离计算，并用于生理生化参数的计算。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，交流分量和直流分量的分离计算以及生理生化参数计算包括下列步骤：

设采样时间段为{T₁，T₂，...，T_N}，采样时间间隔为T_i-T_i-1，采集的M个波长的共N个光强度信号数据为

{...}，

将这些参数构成光强度信号数据数组；

其中，直流分量为I，交流分量的分离计算为I_i-I_i-1，作为生理参数中的脉搏波，血氧饱和度生化参数根据公式S_k＝A-BR_k计算，其中A和B为常数，R_K为回归系数，k为时间窗口平移量；

回归系数用下式计算：

$R_k=\frac{N\·\underset{i=k}{\overset{N+k}{\mathrm{\Σ}}}\left(X_i{Y}_i\right)-\underset{i=k}{\overset{N+k}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i\·\underset{i=k}{\overset{N+k}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i}{N\·\underset{i=k}{\overset{N+k}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i{X}_i-\underset{i=k}{\overset{N+k}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i\·\underset{i=k}{\overset{N+k}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}$

式中，X_i为某波长在时段i的光强度信号数据的函数，Y_i为另一波长在同一时段i的光强度信号数据的函数，这个函数与光强度信号数据的一个具体的函数关系为交流分量与直流分量的比值，即：

$X_i=\frac{I_i^X-I_{i-1}^X}{i_i^X}.$

9.一种数字式测量血氧饱和度的探头，包括发光控制模块、光电与模数转换模块、信号控制处理模块和数据输出模块，其中：

所述的发光控制模块用于产生测量血氧饱和度所需要的指定波长和强度的光辐射；

所述的光电与数模转换模块用于将测量的光电信号转换成数字式光强度信号；

所述的信号控制处理模块用于对数字式光强度信号进行分析和处理，得出血氧饱和度参数；

所述的数据输出模块用于输出血氧饱和度参数。

10.一种数字式测量血氧饱和度和脉搏波的佩戴式探头，包括发光控制模块、光电与模数转换模块、信号控制处理模块和数据输出模块，其中：

所述的发光控制模块用于产生测量生理生化参数包括血氧饱和度和脉搏波所需要的指定波长和强度的光辐射；

所述的光电与数模转换模块用于将测量的光电信号转换成数字式光强度信号；

所述的信号控制处理模块用于对数字式光强度信号进行分析和处理，得出血氧饱和度和脉搏波参数；

所述的数据输出模块用于输出生理生化参数包括血氧饱和度和脉搏波参数。

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